CN117706204A - 一种测量垂直导电率的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量垂直导电率的系统及方法。一种测量垂直导电率的系统，包括数字源表、螺旋测微器和两个测量工装；所述测量工装由两段同轴的第一圆柱和第二圆柱组成。本发明解决现有的一体化设备等测试技术中操作繁琐、精度较差、测试误差高、需要考虑接触电阻等问题。
Description
技术领域
本发明涉及垂直导电率测量领域，特别是一种测量垂直导电率的系统及方法。
背景技术
高导电材料在实际应用前经常需要通过一定的测试确定其导电的能力，一般万能表测试其电阻时使用工装的方法通过两个导线链接然后利用伏安法测定其电阻，这种方法由于工装自身的内阻无法消除会引起较大的误差，不能满足系统的精度要求，同时可能在测试的过程中不能及时控制工装与被测材料的相互作用，从而导致导电材料受到拉伸或压缩等机械应力，造成测试误差以及对被测材料产生机械性损坏。
通过四线法测量导电率可提升精度，测试电阻的基本原理如图1所示。四线检测感应也被称为开尔文(Kelvin)检测，威廉·汤姆森·开尔文勋爵(William Thomson,LordKelvin)在1861年发明的开尔文电桥测量低电阻，每两线连接，也叫做Kelvin连接。四线法测电阻是使用其中两根导线作为电流激励线接入电流源，另外两根导线接入电压表测试其端电压，其中二者要相互独立严格分开，各自构成回路，同时电压检测线要接入具有极高阻抗的测试回路中，使其经过的电流值近似为零。假使四端导线与探针的接触电阻分别为Rw1、Rw2、Rw3、Rw4；电压表的内阻为Rv，电压表的支路电流为Iv；待测材料的电阻为Rs，其支路电流为Is，待测电阻的压降为Us；电流表读数为Ig，电压表读数为Uv，则
Is＝Ig-Iv
Us＝Iv*Rv+Iv*(Rw2+Rw2)
此时，
若Rv+Rw2+Rw3>>Rs，则有Is>>Iv,则Is≈Ig；
若Rv>>Rw2+Rw3，则有Us≈Iv*Rv＝Uv；
故，
现有四线法测量导电率的测试设备如四探针电阻率测试仪等有如下弊端：
(1)操作繁琐，需要通过导电银胶等对样品在测试台上进行无导电损耗地固定；
(2)不能在使用探针通电测量电阻时同时显示其厚度尺寸信息，因此在测试前或后需要对其尺寸进行额外测量，在此过程中可能会引起待测样品的压缩或弯曲形变，改变样品的厚度以及应力分布，进而影响测试的准确性；
(3)除此之外，在使用探针作为样品和电线的接触介质测量样品垂直导电率时，相对于平面导电率的测试，较大的样品横截面积会使得探针引入的是点电流源，在同一截面中形成以等位面为系列的以点电流为中心的半球面，所以在实际导电过程中并非线性，故在计算时需要乘以和长度横截面积相关的修正系数λ。具体公式及数据参见《新能源专业实验与实践教程—四探针测试仪测量薄膜的电阻率》(后续称文献1)。
发明内容
针对现有一体化设备等测试技术中操作繁琐、精度较差、测试误差高等缺点，本申请提供一种测量垂直导电率的系统及方法。不使用探针作为样品和电线的接触介质测量样品垂直导电率，而采用面接触，不引入点电流源，在计算时不需要乘以和长度横截面积相关的修正系数，本发明的方法简单、快速、准确。
一种测量垂直导电率的系统，包括数字源表、螺旋测微器和两个测量工装；所述测量工装由两段同轴的第一圆柱和第二圆柱组成；第一圆柱分为三层，从圆心向外依次为圆柱形的铜柱、圆筒形的电木层和圆筒形的铜层；铜柱的一端与电木层和铜层的一端平齐形成第一端面，电木层和铜层的另一端平齐形成第二端面，铜柱的另一端长于第二端面；第二圆柱采用电木，一端具有用于与铜柱插接的第一沉孔，另一端具有与螺旋测微器的测砧插接的第二沉孔，第二圆柱的侧面还具有通孔，通过所述通孔使得外部导线连接第一沉孔内部的铜柱；
所述两个测量工装分别安装在螺旋测微器的两个测砧上，第一沉孔内部的铜柱通过导线与数字源表的电压接口连接，铜层通过导线与数字源表的电流激励接口连接。使用时，测量工装的两个第一端面压住待测样品的两面，形成面接触，不使用探针作为样品和电线的接触介质测量样品垂直导电率，不引入点电流源，在计算时不需要乘以和长度横截面积相关的修正系数，本发明的方法简单、快速、准确。
采用上述测量垂直导电率的系统进行垂直导电率测量的方法，包括如下步骤：
(1)调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面互相接触时，螺旋测微器的读数为L1；
(2)将待测样品放置在两个测量工装的第一端面之间，调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面分别与待测样品的两面接触时，螺旋测微器的读数为L2；
(3)通过数字源表对测量工装施加恒压电流扫描或恒流电压扫描；
(4)采用如下公式计算垂直导电率：
其中，σsample为待测样品的垂直导电率，R为从数字源表上读出的电阻值，r为铜柱的半径。
本申请的有益效果在于：
(1)本测量垂直导电的设备操作简易，仅由两块模具和螺旋测微器以及若干导线构成，架构简单，容易搭建，成本低廉，不易受环境等因素所限制；
(2)本测量垂直导电的设备工作高效，仅需要通过观察数字源表中的电阻示数以及螺旋测微器上的距离参数即可通过固定公式的数据计算出相应的垂直导电率数值；
(3)本测量垂直导电的设备采取四线法的测量电阻，有效地规避接触电阻的影响；同时导电铜体光滑的表面防止被测样品与铜表面存在缝隙，进而防止接触电阻的产生；除此之外螺旋测微器型号为三量211-101K 0-25mm标准型，测试误差在0.01mm之内，具有很高的精度。
附图说明
图1是本发明一种测量垂直导电率的系统的示意图；
图2是本发明一种测量垂直导电率的系统的测量工装的结构示意图；
图3是本发明一种测量垂直导电率的系统的第一圆柱的结构示意图；
图4是本发明一种测量垂直导电率的系统的第二圆柱的结构示意图；
图5是本发明一种测量垂直导电率的系统的局部放大图；
图6是本发明一种测量垂直导电率的系统的实施例1的伏安特性电流扫描数据图；
图7是本发明一种测量垂直导电率的系统的实施例2的伏安特性电流扫描数据图；
图8是本发明一种测量垂直导电率的系统的实施例3的伏安特性电流扫描数据图；
图9是本发明一种测量垂直导电率的系统的实施例4的伏安特性电流扫描数据图；
图10是本发明一种测量垂直导电率的系统的实施例5的伏安特性电流扫描数据图；
其中，第一圆柱1；铜柱1-1；电木层1-2；铜层1-3；第一端面1-4；第二端面1-5；第二圆柱2；第一沉孔2-1；第二沉孔2-2；2-3。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1-5一种测量垂直导电率的系统，包括数字源表、螺旋测微器和两个测量工装；测量工装由两段同轴的第一圆柱1和第二圆柱2组成；第一圆柱1分为三层，从圆心向外依次为圆柱形的铜柱1-1、圆筒形的电木层1-2和圆筒形的铜层1-3；铜柱1-1的一端与电木层1-2和铜层1-3的一端平齐形成第一端面1-4，电木层1-2和铜层1-3的另一端平齐形成第二端面1-5，铜柱1-1的另一端长于第二端面1-5；第二圆柱2采用电木，一端具有用于与铜柱1-1插接的第一沉孔2-1，另一端具有与螺旋测微器的测砧插接的第二沉孔2-2，第二圆柱2的侧面还具有通孔2-3，通过通孔2-3使得外部导线连接第一沉孔2-1内部的铜柱1-1；
两个测量工装分别安装在螺旋测微器的两个测砧上，第一沉孔2-1内部的铜柱1-1通过导线与数字源表的电压接口连接，铜层1-3通过导线与数字源表的电流激励接口连接。
实施例1
取裁切圆形高导电石墨烯纤维无纺布作为待测样品1，厚度0.150mm，直径5mm，密度0.38g·cm-3。
采用上述测量垂直导电率的系统进行垂直导电率测量的方法，包括如下步骤：
(1)调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面互相接触时，螺旋测微器的读数为L1，为30.70mm；
(2)将待测样品放置在两个测量工装的第一端面之间，调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面分别与待测样品的两面接触时，螺旋测微器的读数为L2，为30.85mm；
(3)通过数字源表对测量工装施加-1—1A的电流扫描；
(4)采用如下公式计算垂直导电率：
其中，σsample为待测样品的垂直导电率，R为从数字源表上读出的电阻值，根据伏安法得到R为8.91×10-2Ω，r为铜柱的半径为1×10-3m。
故，待测样品1的垂直导电率为2.05×103S·m-1。
本实施例的伏安特性电流扫描数据图如图6，电流扫描测试的各项参数数据如表1。
表1实施例1的电流扫描测试的各项参数数据
实施例2
取裁切圆形高导电石墨烯纤维无纺布作为待测样品2，其中厚度0.140mm，直径5mm，密度0.45g·cm-3。
采用上述测量垂直导电率的系统进行垂直导电率测量的方法，包括如下步骤：
(1)调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面互相接触时，螺旋测微器的读数为L1，为30.70mm；
(2)将待测样品放置在两个测量工装的第一端面之间，调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面分别与待测样品的两面接触时，螺旋测微器的读数为L2，为30.84mm；
(3)通过数字源表对测量工装施加-1—1A的电流扫描；
(4)采用如下公式计算垂直导电率：
其中，σsample为待测样品的垂直导电率，R为从数字源表上读出的电阻值，根据伏安法得到R为8.10×10-2Ω，r为铜柱的半径为1×10-3m。
故，待测样品2的垂直导电率为2.23×103S·m-1。
本实施例的伏安特性电流扫描数据图如图7，电流扫描测试的各项参数数据如表2。
表2实施例2的电流扫描测试的各项参数数据
实施例3
取裁切圆形高导电石墨烯纤维无纺布作为待测样品3，厚度0.145mm，直径5mm，密度0.41g·cm-3。
采用上述测量垂直导电率的系统进行垂直导电率测量的方法，包括如下步骤：
(1)调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面互相接触时，螺旋测微器的读数为L1，为30.21mm；
(2)将待测样品放置在两个测量工装的第一端面之间，调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面分别与待测样品的两面接触时，螺旋测微器的读数为L2，为30.36mm；
(3)通过数字源表对测量工装施加-1—1A的电流扫描；
(4)采用如下公式计算垂直导电率：
其中，σsample为待测样品的垂直导电率，R为从数字源表上读出的电阻值，根据伏安法得到R为8.50×10-2Ω，r为铜柱的半径为1×10-3m。
故，待测样品3的垂直导电率为2.07×103S·m-1。
本实施例的伏安特性电流扫描数据图如图8，电流扫描测试的各项参数数据如表3。
表3实施例3的电流扫描测试的各项参数数据
实施例4
取裁切圆形高导电石墨烯纤维无纺布作为待测样品4，厚度0.147mm，直径5mm，密度0.39g·cm-3。
采用上述测量垂直导电率的系统进行垂直导电率测量的方法，包括如下步骤：
(1)调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面互相接触时，螺旋测微器的读数为L1，为30.21mm；
(2)将待测样品放置在两个测量工装的第一端面之间，调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面分别与待测样品的两面接触时，螺旋测微器的读数为L2，为30.36mm；
(3)通过数字源表对测量工装施加-0.8—0.8A的电流扫描；
(4)采用如下公式计算垂直导电率：
其中，σsample为待测样品的垂直导电率，R为从数字源表上读出的电阻值，根据伏安法得到R为8.45×10-2Ω，r为铜柱的半径为1×10-3m。
故，待测样品3的垂直导电率为2.22×103S·m-1。
本实施例的伏安特性电流扫描数据图如图9，电流扫描测试的各项参数数据如表4。
表4实施例4的电流扫描测试的各项参数数据
实施例5
取裁切圆形高导电石墨烯纤维无纺布作为待测样品5，厚度0.143mm，直径5mm，密度0.43g·cm-3。
采用上述测量垂直导电率的系统进行垂直导电率测量的方法，包括如下步骤：
(1)调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面互相接触时，螺旋测微器的读数为L1，为30.21mm；
(2)将待测样品放置在两个测量工装的第一端面之间，调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面分别与待测样品的两面接触时，螺旋测微器的读数为L2，为30.35mm；
(3)通过数字源表对测量工装施加-0.1—0.1A的电流扫描；
(4)采用如下公式计算垂直导电率：
其中，σsample为待测样品的垂直导电率，R为从数字源表上读出的电阻值，根据伏安法得到R为8.65×10-2Ω，r为铜柱的半径为1×10-3m。
故，待测样品3的垂直导电率为2.10×103S·m-1。
本实施例的伏安特性电流扫描数据图如图10，电流扫描测试的各项参数数据如表5。
表5实施例5的电流扫描测试的各项参数数据
对比例1
采用传统方法测待测样品1的垂直导电率。
(1)通过螺旋测微器或者光镜观察得到样品的厚度尺寸为0.150mm；
(2)先粗调不断调整探针的位置使探针触至样品表面，再细调一定距离保证测量时表面读数稳定即可；
(3)待测试线连接数字源表无误，伏安测定方案设置完成，探针加到样品表面后即测量样品电阻。
据文献1，导电率的测试公式为：
经测量，探针间距S为0.1mm，样品直径50mm，样品1的修正系数λ＝1.15，电阻R为1.10Ω，导电率σ为2.02×103S·m-1。
对比例2
采用传统方法测待测样品2的垂直导电率。
(1)通过螺旋测微器或者光镜观察得到样品的厚度尺寸为0.140mm；
(2)先粗调不断调整探针的位置使探针触至样品表面，再细调一定距离保证测量时表面读数稳定即可；
(3)待测试线连接数字源表无误，伏安测定方案设置完成，探针加到样品表面后即测量样品电阻。
据文献1，导电率的测试公式为：
经测量，探针间距S为0.1mm，样品直径50mm，样品2的修正系数λ＝1.22，电阻R为1.13Ω，导电率σ为2.19×103S·m-1。
对比例3
采用传统方法测待测样品3的垂直导电率。
(1)通过螺旋测微器或者光镜观察得到样品的厚度尺寸为0.145mm；
(2)先粗调不断调整探针的位置使探针触至样品表面，再细调一定距离保证测量时表面读数稳定即可；
(3)待测试线连接数字源表无误，伏安测定方案设置完成，探针加到样品表面后即测量样品电阻。
据文献1，导电率的测试公式为：
经测量，探针间距S为0.1mm，样品直径50mm，样品3的修正系数λ＝1.20，电阻R为1.07Ω，导电率σ为2.05×103S·m-1。
对比例4
采用传统方法测待测样品4的垂直导电率。
(1)通过螺旋测微器或者光镜观察得到样品的厚度尺寸为0.147mm；
(2)先粗调不断调整探针的位置使探针触至样品表面，再细调一定距离保证测量时表面读数稳定即可；
(3)待测试线连接数字源表无误，伏安测定方案设置完成，探针加到样品表面后即测量样品电阻。
据文献1，导电率的测试公式为：
经测量，探针间距S为0.1mm，样品直径50mm，样品4的修正系数λ＝1.18，电阻R为1.14Ω，导电率σ为2.15×103S·m-1。
对比例5
采用传统方法测待测样品5的垂直导电率。
(1)通过螺旋测微器或者光镜观察得到样品的厚度尺寸为0.143mm；
(2)先粗调不断调整探针的位置使探针触至样品表面，再细调一定距离保证测量时表面读数稳定即可；
(3)待测试线连接数字源表无误，伏安测定方案设置完成，探针加到样品表面后即测量样品电阻。
据文献1，导电率的测试公式为：
经测量，探针间距S为0.1mm，样品直径50mm，样品5的修正系数λ＝1.16，电阻R为1.11Ω，导电率σ为2.06×103S·m-1。
结论，实施例1与对比例1同一样品的测量数据相比，误差在1.46％；实施例2与对比例2同一样品的测量数据相比，误差在1.79％；实施例3与对比例3同一样品的测量数据相比，误差在0.98％；实施例4与对比例4同一样品的测量数据相比，误差在3.15％；实施例5与对比例5同一样品的测量数据相比，误差在1.90％，都属于正常的误差范围内，故本申请的测试方法数据准确可靠；除此之外，该测试方法测试5个样品仅总耗时11分钟，比对比例快一倍以上；同现有的四探针电阻率测试仪测试方法比，本方法具有简易、准确、高效、低成本的优势，具有广阔的应用前景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种测量垂直导电率的系统，其特征在于，包括数字源表、螺旋测微器和两个测量工装；所述测量工装由两段同轴的第一圆柱和第二圆柱组成；第一圆柱分为三层，从圆心向外依次为圆柱形的铜柱、圆筒形的电木层和圆筒形的铜层；铜柱的一端与电木层和铜层的一端平齐形成第一端面，电木层和铜层的另一端平齐形成第二端面，铜柱的另一端长于第二端面；第二圆柱采用电木，一端具有用于与铜柱插接的第一沉孔，另一端具有与螺旋测微器的测砧插接的第二沉孔，第二圆柱的侧面还具有通孔，通过所述通孔使得外部导线连接第一沉孔内部的铜柱；
所述两个测量工装分别安装在螺旋测微器的两个测砧上，第一沉孔内部的铜柱通过导线与数字源表的电压接口连接，铜层通过导线与数字源表的电流激励接口连接。
2.采用权利要求1所述的测量垂直导电率的系统进行垂直导电率测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面互相接触时，螺旋测微器的读数为L1；
(2)将待测样品放置在两个测量工装的第一端面之间，调节螺旋测微器，直至两个测量工装的第一端面分别与待测样品的两面接触时，螺旋测微器的读数为L2；
(3)通过数字源表对测量工装施加恒压电流扫描或恒流电压扫描；
(4)采用如下公式计算垂直导电率：
其中，σsample为待测样品的垂直导电率，R为从数字源表上读出的电阻值，r为铜柱的半径。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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